Reaktionswege und Eigenschaften geladener Tantal- und Goldcluster in der Oxidation von Methan unter Vielstoßbedingungen

• Antragsteller: Dr. Martin Tschurl, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 333665482

Die selektive Oxidation von Methan zu Methanol stellt eine der Traumreaktionen in der Chemie dar. Entgegen den Forschungsbemühungen in der Vergangenheit, ist deren technische Realisierung im industriellen Maßstab noch immer nicht möglich. Die Reaktion beinhaltet drei Herausforderungen: die Aktivierung von Methan, die Vermeidung einer Überoxidation zu Kohlendioxid und die Komplexität der Reaktion. Eine Möglichkeit, diesen Herausforderungen Herr zu werden, besteht in dem umfassenden Verständnis der Reaktionsmechanismen. So lieferten Ionen-Molekülreaktionen bereits einen starken Beitrag zu einem solchen Verständnis, vor allem in Bezug auf die Aktivierung der C-H Bindung von Methan. Da die klare Mehrzahl der Studien sich bislang auf sogenannte Einzelstoßbedingungen belaufen, beschäftigt sich dieses Projekt mit der Untersuchung der Reaktionen unter Vielstoßbedingungen, welche isotherme Reaktionsführungen ähneln. So werden zusätzlich Effekte beleuchtet, wie die Stabilisierung von Intermediaten oder Reaktivitätsveränderungen durch Koadsorption weiterer Moleküle. Allerdings benötigen solche Studien einen erhöhten experimentellen Aufwand, vor allem wenn viele unterschiedliche Reaktionsschritte existieren, wie z.B. bei Koadsorptionsphänomenen. Im Falle komplexer Reaktionswege ist die simultane Detektion verschiedener Reaktionsprodukte unumgänglich, wodurch in der Vergangenheit Studien limitiert waren. Diese Einschränkung konnte von uns durch die Entwicklung eines Gerätes überwunden werden, welches die Untersuchung komplexer Reaktionsnetzwerke ermöglicht. Zur Aufklärung des Reaktionsweges wird die zeitliche Entwicklung der Reaktion im Reaktionsnetzwerk über verschiedene Schemata modelliert, welche durch den Vergleich mit den experimentellen Daten bewertet werden. Durch diese Methodik wird die Reaktivität von Metallclustern und Metallclusteroxiden mit Größen von bis zu einigen zehn Atomen in der Gesamt- und den Teilreaktionen untersucht. Die Durchführung der Reaktionen bei verschiedenen Temperaturen erlaubt die Bestimmung von Aktivierungsenergien, wodurch zusätzlich Einblicke in den Reaktionsmechanismus erlangt werden. Während die Mikrokinetik mit einem solchen Ansatz direkt bestimmt wird, erhält man über die Reaktivität der Clusterspezies indirekte Einblicke in deren Eigenschaften, wie z.B. der Existenz von Sauerstoffradikalzentren hoher Spindichten. Aus Untersuchungen von Koadsorptionseffekten oder Folgereaktionen werden weitere Erkenntnisse gewonnen. So äußern sich spezielle Änderungen in der elektronischen Struktur der Cluster in einem veränderten Reaktionsweg bei Folgereaktionen. In diesem Projekt werden Tantal- und Goldcluster untersucht, da erstere hoffungsvolle Systeme für eine erfolgreiche katalytische Reaktion darstellen und letztere für ihre größenabhängige Reaktivität bekannt sind. Weiterhin werden in dem Projekt oxidierte Cluster und Tantaloxidcluster untersucht, um den Einfluss der Sauerstoffbindung auf die Reaktion mit Methan zu beleuchten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen